이성수
(Seong-Su Lee)
1
이강휘
(Kang-Hwi Lee)
1
김상민
(Sang-Min Kim)
1
이혁재
(Hyeok-Jae Lee)
1
이병헌
(Byoung-Hun Lee)
1
김경섭
(Kyeoung-Seop Kim)
1
이정환
(Jeong-Whan Lee)
2†
-
(College of Science & Technology, Dept. of Biomedical Engineering, Konkuk University, Korea)
-
(College of Science & Technology, Dept. of Biomedical Engineering, Konkuk University, Korea)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
Magneto plethysmography, Pulse wave velocity, Pulse transit time, Blood pressure
1. 서론
혈압은 현대인의 삶에서 건강에 대한 중요한 지표중 하나이다. 높은 혈압은 각종 심혈관계 질환(심장마비,허혈성 심장질환(IHD : Ischaemic
heart disease) 등)에 의한 사망률에 연관이 있다
(1). 가정에서 주기적으로 자가혈압을 측정 및 기록하는 것이 고혈압에 의한 2차 질병 발생을 예방하는데 큰 도움이 되는 것으로 알려져 있다
(2). 그러나 상용화된 커프 방식의 혈압 측정은 측정하는 시간, 자세, 커프의 크기등과 같은 많은 변수가 있고 측정 전과 후에 휴식을 취해야 하는 등의
불편점이 있어 혈압을 지속적으로 측정 하는데도 한계가 있다. 혈압을 측정하는데 커프를 사용하지 않는 여러 방식이 제안되었는데, 그 중에서 광용적맥파(PPG:Photoplethysmography)와
심전도(ECG : Electrocardiography)를 사용하여 추정한 맥파전달속도(PWV : Pulse wave velocity) 기반의 혈압
추정 방법이 가장 널리 알려져 있다. 맥파전달속도는 맥파전달시간(PTT : Pulse transit time)을 측정함으로써 계산할 수 있다
(3). 이 방법은 혈관이 지나가는 측정부위를 과도하게 압박하지 않아 피검자가 불쾌감을 느끼지 않고, 비침습적인 방법이기 때문에 혈압을 지속적으로 측정할
수 있으며 그에 대한 연구 또한 진행되고 있다
(4,5). 또한 맥파전달속도는 동맥경화를 판별하는데 중요한 지표로서 이용되며 혈압과 높은 상관성이 있는 것으로 알려져 있다
(6).
맥파전달속도는 심장에서 박출 되는 혈류가 혈관을 지나가는 속도를 의미하는데, 이전 연구에서 자계용적맥파(MPG; Magneto plethysmography)와
도플러 혈류속도와의 상관관계를 보여준 연구가 있다
(7). 앞서 언급한바와 같이 자계용적맥파는 광용적맥파에 비해 혈류의 속도와 높은 상관관계를 가지고 있는데, 자계용적맥파는 광원을 사용하지 않고, 자계(magnetic
field)를 이용하기 때문에, 측정 시 측정 부위가 외부 환경에 노출 되어도 외부의 빛에 의한 영향을 받지 않는다. 광원을 이용하는 광용적맥파 (산소포화도
등) 측정과 자계를 이용하는 자계용적맥파는 서로 간섭에 의한 영향이 없기 때문에 동시에 측정할 수 있다는 장점을 갖고 있다.
이에, 본 논문에서는 자계를 이용하여 측정한 혈류의 속도변화와 심장의 전기활동인 심전도, 두 신호 사이의 관계를 이용해 혈압을 추정하는 알고리즘을
제안하고자 한다. 이를 위해 자계용적맥파 및 광용적맥파를 동시에 같은 장소에서 측정하고 신호의 상관관계를 분석하였다.
또 혈압 추정에 필요한 자계용적맥파와 광용적맥파 그리고 ECG를 동시에 측정할 수 있는 측정 모듈을 구현하여 제안한 알고리즘을 적용하고 상용 혈압계와
추정 결과를 비교해 보았다. 이를 바탕으로 기존의 광용적맥파 기반의 혈압추정 알고리즘을 수정하여 자계용적맥파의 적용 가능성을 고찰해 보고자 한다.
2. 본 론
2.1 와전류 발생원리
시변 자계(Time-varying Magnetic field)는 페러데이 법칙(Faraday’s law)에 따라 유도 기전력(induced electromotive
force)을 발생시키는데(식(1)), 이 유도기전력에 의해 도체 내에 생기는 원형의 전류를 와전류(Eddy current)라 한다.
와전류의 방향은 렌츠의 법칙(Lenz’s law)에 의해 자계에 수직이면서 자계의 변화를 억제하는 방향으로 생성된다. 와전류의 세기는 자계의 세기,
루프의 넓이, 자기선속의 변화율에 비례하고, 전도체의 저항성에 반비례 한다.
그림. 1. 유도 기전력
Fig. 1. Induced electromotive force
2.2 와전류에 의한 인덕턴스의 변화 원리
기전력 v(t)는 아래 식(2)와 같이 전류(i(t))와 인덕턴스(L)로 나타낼 수 있다.
N번 감은 코일 속을 자기선속($\Phi$)가 통과 한다고 할 때, 식(1)에 나와 있는 페러데이 전자기 유도 법칙에 의해 코일에는 식(3)과 같이 기전력이 발생한다.
식(1)과 식(3)을 비교하여 식(4)를 얻을 수 있다.
식(4)와 같이 코일에 전류 I가 흐르면, 전류에 의해 코일 속에 자기선속 가 발생한다. 따라서 전류의 크기가 바뀌면 전류에 의해 발생하는 자기선속도 변화하고,
전류의 변화율에 비례하여 기전력이 발생한다. 즉, 코일은 자체 인덕턴스를 가진다고 볼 수 있다. 이것을 정리하면 식(5)와 같다.
식(5)에서 자기선속이 변할 때 인덕턴스 값이 변하는 것을 확인할 수 있다.
시간에 따라 변화하는 자기장을 발생시키는 코일을 생체조직에 접근시키면 생체 조직 내에 원형의 전류가 생성된다. 이러한 원형의 전류는 플레밍의 오른손
법칙에 의해 2차 자기장을 발생시키며 2차 자기장은 코일에서 발생하는 자기장의 방향과 반대의 방향으로 생성된다. 코일에서 생성된 1차 자기장의 세기는
조직 내에서 생성된 2차 자기장의 세기 만큼 약해진다. 조직 내 혈류의 흐름과 같은 조직 내 전기 전도도의 변화는 2차 자기장의 세기를 변화시키고,
이러한 2차 자기장의 세기의 변화는 1차 자기장의 세기를 변화시키며 이는 코일의 유도용량(inductance)을 변화시키게 된다(그림 2). 자계용적맥파는 이러한 유도용량의 변화를 측정하여 얻을 수 있다.
그림. 2. 자기장에 의한 와전류 생성
Fig. 2. Eddy current formation by magnetic field
2.3 생체조직과 자계의 표면효과(Skin Effect)에 의한 침투 깊이의 고려
와전류는 코일에 인접한 표면 주위에 집중되며, 와전류의 세기는 코일과의 거리에 따라 줄어든다. 또 와전류의 밀도는 깊이에 따라 지수적으로 감소하는데
이 현상을 표면 효과라 한다. 와전류가 인접한 표면 내부까지 침투할 수 있는 침투깊이는(penetration depth)는 여자 전류(excitation
current)의 주파수에 따라 또는 전도성과 자기 투자율 등에 영향을 받는다. 와전류의 침투 깊이는 (식(6))과 같이 계산된다.
여기서 δ는 침투 깊이(m), f는 여자 주파수(Hz), 는 자기 투자율(H/m), σ는 전기 전도율(S/m)을 말한다.
손가락의 두께는 약 1~1.5cm이며 피부에서 혈관까지의 거리는 약 0.5~1cm이다. 때문에 투자율, 전도율, 값은 상수 값으로 고정된다. 기존
연구에 따라 생체 조직의 전기 전도율은 약 0.227S/m이며(8), 자기 투자율은 진공과 거의 같기 때문에 약 1 H/m(9)로 설정하여 계산하였다(그림 3).
그림. 3. 생체 조직에서 주파수에 따른 전자기파의 침투 깊이(δ)
Fig. 3. The penetration depth of electromagnetic waves in living tissue(δ)
2.4 측정시스템의 구현
2.4.1 콜피츠 발진기(Colpitts oscillator)의 설계 및 발진 주파수의 조정
자계용적맥파 측정 센서에서 시변자계의 입력소스로 사용되는 콜피츠 발진기는 귀환 루프에 LC 회로를 포함하는 LC 발진기이다. 두 개의 커패시터와 한
개의 인덕터 즉, 용량성 분배기를 통해 피드백이 이루어져 식(7)과 같이 발진 주파수를 설정한다.
식(7)에서 유도용량(L)가 증가하면 발진 주파수가 낮아지고 유도용량이 감소하면 발진주파수가 높아지는 반비례 관계를 확인할 수 있다. 2.2절에서 말한 것과 같이 혈류의
흐름에 의해 코일의 유도용량이 변화하게 되며, 이 코일은 콜피츠 발진기의 인덕터 부분을 이루고 있어 측정 부위에 시간에 따라 변화하는 자계가 형성
된다.
2.4.2 위상동기루프(PLL; Phase Locked Loop)을 이용한 주파수의 복조
위상동기루프는 일반적으로 주파수변조(FM)통신 방식에서 변조된 신호를 복원하기 위하여 주로 사용되어진다. PLL 앞단에 위치한 위상 비교기(Phase
Comparator)는 기준이 되는 일정한 발진 주파수와 외부의 영향으로 인해 변형된 주파수와의 위상차이를 직류 전압 값으로 출력한다. 출력된 직류
전압은 귀환하여 전압 제어 발진기(VCO; Voltage Controlled Oscillator)를 작동시킨다. 즉, 그림 4와 같이 전압 제어 발진기에서 기준 발진 주파수를 만들어 낸 뒤 입력 주파수와 비교하여 위상 차이 만큼을 전압으로 보상하여 제어하는 회로이다.
그림. 4. 위상동기루프 블록다이어그램
Fig. 4. Phase Locked Loop block diagram
데이터 시트를 참조하여 원하는 기준 주파수 대역에 맞는 R2,R1, C 값을 실험을 통하여 찾았으며 R1과 C값을 고정한 뒤 R2 값에 따른 주파수 변화 정도를 표 1에 정리하였다.
표 1. 위상동기루프 내부 R2값에 의한 내부 주파수 변화
Table 1. Internal frequency change due to R2 value in phase- locked loop
|
R1(kΩ)
|
R2(kΩ)
|
C(pF)
|
Freq(kHz)
|
|
103.65
|
4.46
|
100
|
5589
|
|
103.65
|
5.97
|
100
|
4141
|
|
103.65
|
8.65
|
100
|
3036
|
|
103.65
|
11.05
|
100
|
2415
|
|
103.65
|
14.15
|
100
|
1943
|
|
103.65
|
16.9
|
100
|
1678
|
|
103.65
|
20.14
|
100
|
1440
|
|
103.65
|
22.96
|
100
|
1294
|
|
103.65
|
25.83
|
100
|
1174
|
|
103.65
|
30.35
|
100
|
1027
|
2.4.3 록인 증폭기(LIA; Lock In Amplifier)
록인 증폭기는 잡음 속에 묻혀 있는 미소신호를 계측하는데 사용된다. 주기를 가지는 임의의 신호는 전부 측정이 가능하며 측정하고자 하는 교류 신호를
잡음에서 분리할 때 유용하다.
그림. 5. 록인 증폭기 블록 다이어그램
Fig. 5. Lock-In Amplifier blcok diagram
LIA의 구조는 위의 그림 5와 같으며 잡음이 섞인 신호가 믹서(mixer)로 입력 되기 전, 대역 통과 필터, 저대역 통과 필터, 고대역 통과 필터 등을 사용하여 1차적으로
잡음을 제거해 준다. 1차적으로 잡음이 제거된 신호와 기준 신호와의 곱을 통해 위상을 비교한다. 위상차가 0°일 경우 믹서 출력은 음의 성분이 없는
정류된 파형처럼 나오며 저대역 통과 필터를 통과시키면 평균값인 양의 직류 전압의 출력된다. 위상차가 90°일 경우 믹서 출력은 저대역 통과 필터를
통과시키면 평균값이 0이기 때문에 이론상 0의 직류 전압이 출력된다. 위상차가 180°일 경우 믹서 출력은 양의 성분이 없는 음의 정류된 파형으로
나오게 되며, 저대역 통과 필터를 통과시키면 음의 직류 전압이 출력된다. 즉 0°~180°의 위상차이가 직류 전압을 위아래로 진동시킨다.
Analog Device 사의 AD630은 위상 감지 검출기(Phase sensitve detector) 역할을 해주는 IC이다. 앞단에 버퍼가 연결되어
입력 임피던스를 높이면서 내부 믹서를 통해 입력 신호와 기준 신호를 비교해 준다. 그림 6에서 볼 수 있듯이 SEL_B와 SEL_A 핀의 입력이 내부 비교기를 작동시키며 비교기의 출력은 그림 6 왼쪽 부의 AMP A와 AMP B 입력을 주기적으로 스위칭 해준다. AMP A 와 AMP B는 동일 위상의 신호가 입력되고, 비교기의 양극 전압
출력이 AMP B의 입력을 반전시킨다. 위와 같은 원리로 얻고자 하는 잡음 내부의 신호 주기와 동기화 시킨다.
그림. 6. AD630의 블록다이어그램
Fig. 6. AD630 block diagram
록인 증폭기 시스템은 동상 제거비(CMRR; Common Mode Rejection Ratio)를 높이기 위한 계측증폭기(IA; Instrument
Amplifier)가 입력 쪽에 위치하고, 동기보상회로, 구동 주파수를 발생시키기 위한 555타이머, 저대역 통과 필터를 통해 자계용적맥파 신호를
얻는다.
2.5 광용적맥파
혈관의 용적 변화를 광학적으로 얻어낸 생체 신호를 광용적맥파(Photo Plethysmograph)라고 한다. 광용적맥파의 측정은 보통 펄스식 산소
농도계(pulse oximeter)를 사용하는데 피부에 광을 조사하고 헤모글로빈 및 혈류의 광 흡수량 변화를 측정한다. 광용적맥파는 빛의 흡수는 빛이
통과한거리, 빛이 통과하는 용액의 농도와 비례한다는 ‘Beer-Lambert’s 법칙에 의해 혈액의 부피에 따른 흡수량 및 투과량 변화를 측정한다.
광용적맥파 신호는 그림 7과 같이 교류신호인 맥박 신호와 직류 신호인 베이스 라인 신호로 구성되어 있다. 직류 성분은 주로 빛이 조직을 통과할 때 발생하는 흡수량과 정맥혈
그리고 이완기 혈액의 부피에 관계있다. 직류신호는 항상 정적이지 않고 낮은 주파수 대역에서 진동하는데 호흡 주기에 따른 정맥 혈관 부피의 변화와 혈관의
활성도 등이 원인이다. 교류 신호는 심박에 따른 혈액 부피 변화와 직접적으로 관계가 있으며, 주기적인 피크를 보인다. 혈류의 속도도 광용적맥파에 영향을
주기 때문에 혈관의 탄성도 등도 광용적맥파에 영향을 준다. 광용적맥파는 위와 같은 특성들 때문에 다양한 분야의 임상에서 사용된다. 산소포화도, 혈압,
호흡 등의 임상생리학 모니터링과 혈관 질환 및 혈관 나이, 저항 등과 같은 심혈관 시스템 계측, 모세혈관 혈류 등과 같은 생체 정보들을 광용적맥파를
통해 얻을 수 있다.
그림. 7. 광용적맥파 신호 파형(10)
Fig. 7. Photo-plethysmography signal waveform
2.6 심전도(ECG)
심전도는 탈분극과 재분극 과정을 거치면서 각각의 시간에 심장의 전기적 활동을 해석하여 얻을 수 있으며 심장 박동 수, 심장의 크기와 위치, 심장의
손상 여부 등의 생체 정보를 포함하고 있기 때문에 임상에서 많이 사용되고 있는 생체 신호이다.
심장의 동방 결절(Sinotrial node)에서 시작된 탈분극(depolarizateion)은 P파로 나타난다. 탈분극은 우심방에서 좌 대각선으로
내려오며 방실 결절(AV note)까지 전달된다. 동시에 동방결절은 재분극(repolarization)이 일어난다. 방실 결절의 탈분극은 심실 전체의
탈분극으로 이어진다. 심실 중간 벽의 오른쪽 부분에서 시작해 심실 중간 벽을 가로질러 오른쪽에서 왼쪽으로 진행한다. 심실 근육이 전체 심장에서 차지하는
비율이 가장 크기 때문에 발생하는 전위차도 가장 크며 이때 발생한 전위차를 R파라고 한다. T파는 심실의 재분극을 나타낸다. 심전도 신호 파형을 그림 8에서 확인할 수 있다.
2.7 혈압 측정 통합 시스템 설계
심장 수축기에서 발생한 파동이 손가락 끝에 전달 될 때 까지의 시간을 측정하기 위해서 심전도 및 맥파를 동시에 측정할 수 있는 시스템을 설계하였다.
통합 시스템은 크게 네 부분으로 나뉘는데, 자기장의 변화를 감지하는 코일 센서를 포함한 자계용적맥파 시스템, 광용적맥파 측정시스템, 심전도 측정시스템
그리고 출력 신호들을 디지털화 해주는 ADC(Analog to Digital Converting) 시스템 및 컨트롤 보드이다.
그림. 8. 심전도 신호 파형(11)
Fig. 8. Electrocardiogram signal waveform
그림. 9. 시스템 블록다이어그램
Fig. 9. System block diagram
2.7.1 광용적맥파와 자계용적맥파를 동시에 측정하기 위한 통합센서 설계
손가락 말초 혈관의 용적맥파를 측정할 때, 중지와 검지 둘 모두 사용하면 측정 위치에 따라 미세한 차이가 발생하기 되어 자계용적맥파와 광용적맥파를
비교하는데 있어 변수가 발생할 수 있다. 따라서 자계용적맥파와 광용적맥파를 같은 부위에서 동시에 측정하기 위한 통합 측정 센서를 제작하였다. APMKorea
사의 DCM03 SP02 센서를 부착하였고, 900nm 파장의 적색 LED를 사용하여 헤모글로빈이 흡수하는 광량을 높여주었다. LED 송신부와 수신
부를 가운데에 놓고 광원이 코일에 의해 가려지지 않도록 코일 센서를 위치시켰다. 자계용적맥파 측정을 위한 코일 센서는 손가락 크기의 도넛 형태의 코일이며,
세로 3cm, 가로 2.4cm 의 유도용량 8.0uH의 코일이며 턴수는 13턴으로 고정하였다. 턴 수에 따라 초기 유도용량 값이 결정되기 때문에 실험을
통해 100uH를 넘지 않도록 제작하였다.
그림. 10. 통합센서
Fig. 10. Integrated Sensor
자기장의 경우 금속이나 투자율이 낮은 물체가 근접할 시 원치 않은 와전류로 인해 측정 부위 쪽 자기장이 약해지거나 잡음이 유입될 수 있다. 따라서
높은 투자율을 갖는 연자성 페라이트 시트를 코일 밑에 위치시켜 밑으로 돌아가는 자기선속을 막고 측정 부위인 혈관 쪽으로 집중시켜 주었다.
2.7.2 심전도 신호 측정 시스템
심전도 측정 모듈로 Analog Device사의 AD8232 ECG 칩을 사용하였다. AD8323 칩은 계측증폭기, 저대역 통과 필터, 고대역 통과
필터 및 증폭단으로 구성되어 있으며, 필터의 계수와 증폭기의 증폭비 등을 사용자 임의로 설정해 줄 수 있다.
2.7.3 AD보드 및 컨트롤 모듈
ECG, 광용적맥파, 자계용적맥파는 모두 아날로그 신호이기 때문에 디지털 프로세싱 및 각 생체 신호 간 비교, 그리고 맥파전달시간을 계산하기위해 아날로그
신호를 디지털화 해줄 수 있는 모듈이 필요하다. 사용된 ADC용 IC는 MAXIM 사의 MAX1300으로 최대 8채널까지 입력 받을 수 있으며 16bits의
ADC 해상도를 가진다.
심전도 등의 생체 신호 모듈과 ADC 모듈을 연결 할 때 발생할 수 있는 부하 영향을 줄이기 위한 버퍼를 각 입력 마다 설계하여 입력된 신호가 버퍼를
통과해 200Hz 샘플링 레이트로 MAX1300으로 보내지도록 설계하였다.
그림. 11. 자계용적맥파 통합 측정 시스템의 구현
Fig. 11. Implementation of Magneto-plethysmography measurement system
또한 MAX1300과 SPI통신을 통해 데이터를 주고 받을 수 있고, 획득한 데이터를 UART 통신을 통해 PC 전송하기 위한 목적으로 3.3V 구동의
저전력 프로세서인 TI 사의 MSP430F249를 사용하였으며, USB를 통해 PC 데이터를 전달하기 위한 CP2102칩을 같이 탑재하였다(그림 11).
통합측정 시스템 보드는 90mmx70mm의 직육면체 모양이며 외부 전극 연결 부분을 오른쪽에 배치하였고, 록인 증폭기 필터 차단 주파수(cut-off
frequency)와 증폭 비를 조절하는 헤더 핀을 밖으로 빼네 쉽게 조절할 수 있도록 하였다. 총 3층으로 구성되며 아래층은 ADC 모듈 및 전원
단, 중간층은 광용적맥파, 자계용적맥파 및 심전도 등의 생체 신호 모듈이 실장되었고, 상층은 MSP430F249가 탑재된 컨트롤 보드로 구성하였다.
2.8 맥파전달속도를 이용한 혈압 추정 알고리즘
맥파전달속도는 맥파전달시간과 맥파가 이동한 거리를 계산하여 얻을 수 있다. 맥파전달시간은 대동맥 판막에서 말초 혈관 까지 동맥의 압력이 파동이 전달되는
시간으로 정의한다. 맥파전달시간의 측정은 같은 동맥 혈관 위의 두 지점에서 한 심박주기 내에 전달된 두 맥파 간의 시간차이를 구하거나, 그림 12와 같이 심전도의 R 피크 지점과 손가락에서 측정한 맥파의 피크 지점간의 시간차이로 구할 수 있다.
그림. 12. 자계용적맥파와 심전도를 사용한 맥파전달시간 측정 방법 및 맥파전달시간 기준점
Fig. 12. A pulse transit time measurement method using a magneto-plethysmography and
an electrocardiogram, and pulse transit time reference point
peak는 신호의 최대점, mid는 신호의 진폭이 급격히 변하는 구간의 최저점과 최대점의 중간지점을 의미한다.
D는 두 측정 지점 사이의 거리, T는 맥파전달시간이다. 하지만 심장에서부터 말초의 혈관 까지의 내부 길이를 직접 측정할 수 없기 때문에 심장과 측정하는
손가락 간의 거리에 대한 추정 값이 필요하다. 따라서 식(9)와 같이 맥파 전달속도를 구하였다. BDC는 Body Correlation factor의 약자로, 성인 일 때 신장의 0.5배로 설정한다. 팔을 일자로
벌렸을 때 왼쪽 손 끝에서 오른쪽 손 끝 까지의 거리가 신장(height)과 높은 상관관계를 보인다는 연구를 기반으로 변수를 설정하였다(4).
MCU 내부에 1차적으로 Transposed Direct Form Ⅱ IIR 필터를 사용하여 저대역 통과 필터와 대역 통과 필터를 설계하였다. 심전도는
차단주파수 4~25 Hz의 10차 대역 통과 필터를 통과시켜 PQRST파중 R파 만이 통과할 수 있도록 하였다. 자계용적맥파는 10차 저대역 통과
필터를 사용해 고대역 잡음을 제거함과 동시에 딜레이 된 시간이 심전도 파형과 같도록 하였다. 또 실험에 사용한 ADC 모듈은 16bits ADC 모듈이고
광용적맥파는 21 bits 출력을 갖는다. 비교가 용이하도록 각 출력 값을 전압 값으로 변환하였다.
2.9 실험 구성 및 방법
전체 실험의 데이터는 자체 제작한 데이터 로깅 프로그램을 사용하여 얻었으며 동작 화면은 다음의 그림 13의 왼쪽 그림과 같다.
그림. 13. 생체신호 측정 데이터 로거의 실행 화면 및 측정 실험을 위한 세팅
Fig. 13. Execution screen of bio-signal measurement data logger and settings for measurement
experiments
통합 센서로 측정 시 피험자의 움직임이나 측정 손가락의 누르는 압력 차이 등으로 인해 오차가 생길 수 있다. 또 유도용량의 변화를 측정하기 때문에
피험자나 주위 사람의 움직임 등의 외부 요인들도 신호의 품질을 떨어트린다. 따라서 실험 전 외부 움직임 및 피험자 본인의 움직임을 최소화 하고 2-3번의
예비 실험을 통해 일정한 압력을 주도록 학습한 후 실험을 실시하였다. 첫 번째로 자계용적맥파와 광용적맥파 만 측정하여 상관관계를 분석하고, 두 번째로
심전도와 기준 커프 혈압을 추가로 측정하여 혈압 추정 실험을 실시하였다.
통합 센서를 오른쪽 검지에 위치시켰고 일정한 압력을 주기 위해 밴드를 부착해 고정하였다. 또한 아인트호벤 3 전극법에 따라 오른팔, 왼팔, 오른다리구동
세 개의 Ag-AgCl 전극을 부착해 LeadⅠ심전도를 동시에 측정하였다. 비교 기준 혈압으로 HEM- 1000 혈압계(OMRON,JP)를 사용하였고
왼쪽 팔에 위치시킨 뒤 생체 신호 측정과 동시에 작동시켜 생체 신호와 동기화시켰다.
혈압 추정 실험 프로토콜은 그림 14와 같이 피험자 한명 당 2세트 측정을 4회씩 진행하였다. 앉은 자세로 시작하며 첫 번째 세트는 안정 상태 측정 10초, 커프 혈압계와 동시 측정
30초, 다시 안정 상태 측정 30초, 총 1분 10초로 구성하였다. 두 번째 세트 역시 안정 상태 10초, 커프 혈압계와 동시 측정 30초, 안정
상태 측정 30초 측정하였다. 신호의 선형적인 특성을 확인하기 위해 Valsalva 호흡법을 사용하여 혈압 변위를 만들었으며, Valsalva 호흡
한 세트를 15초씩 2번 반복 후 신호를 측정해 총 1분 40초로 구성하였다. 또 맥파전달속도의 측정 데이터는 커프 혈압계 측정 시간에 측정된 값들의
평균값으로 얻었다.
그림. 14. 실험 프로토콜
Fig. 14. Experimentation Protocol
실험에 참여한 피험자는 표 2에 정리하였으며, 실험자의 나이에 의한 영향, 성별에 의한 영향을 통제하고자 20대 초․중반 남성을 대상으로 측정하였고 공통적으로 질병이나 고혈압
등의 혈관 질환은 없었다.
표 2. 실험에 참여한 피험자
Table 2. Subjects participating in the experiment
|
구분
|
성별
|
나이
|
신장
|
체중
|
*BDC
|
|
a
|
남
|
27
|
175.6
|
85
|
87.8
|
|
b
|
남
|
22
|
175.0
|
78
|
87.0
|
|
c
|
남
|
24
|
173.0
|
75
|
86.5
|
|
d
|
남
|
27
|
175.2
|
70
|
87.6
|
|
e
|
남
|
27
|
174.9
|
90
|
87.45
|
비고: BDC: Body Correlation factor = Height[cm] * 0.5
2.10 실험결과
2.10.1 자계용적맥파와 광용적맥파만 측정하여 상관관계를 분석
자계용적맥파와 광용적맥파 신호 간 비교를 목적으로 동일한 위치에서 측정하였고, 동시에 데이터를 수집하였다. 잡음제거를 위해 Python 2.7 언어를
이용해 필터를 설계하였다. 저대역 통과 필터의 차수는 3차, 차단 주파수는 30Hz로 설정하여 60Hz 전원 잡음 및 고주파 잡음을 제거하였고 고대역
통과 필터의 차수는 3차, 차단 주파수는 1Hz로 설정하여 광용적맥파 및 자계용적맥파의 직류 성분을 제거하였다. 낮은 차수를 사용해 필터에 의한 그룹
딜레이를 줄였고 같은 필터를 사용해 필터에 의한 오차가 발생하지 않도록 하였다.
그림. 15. 자계용적맥파, 광용적맥파 동시 측정 파형(fs=200Hz)
Fig. 15. Magneto-plethysmography, Photo-plethysmography simultaneous measurement waveform
(f = 200Hz)
그림. 16. 두 신호간 상관성 비교 그래프
Fig. 16. Correlation comparison graph between two signals
본 실험 목적인 두 신호의 상관 분석을 통한 자계용적맥파의 가능성을 보기 위해 그림 15와 같이 비교하였다. 실선은 자계용적맥파 신호이며 점선은 광용적맥파 신호이다. 그림 16을 보면 광용적맥파 의 첫 번째 피크와 두 번째 피크가 나타날 때마다 광용적맥파의 피크도 그 경향을 따라 피크들이 나타나는 것을 확인 하였다. 첫
번째 피크 점에서 15ms(샘플 3개)의 차이를 보이고, 두 번째 피크에서도 10-15ms(샘플 2-3개)의 일정한 간격의 위상차를 보여주었다. 피크까지
도달하는 시간과 각 피크의 위치 및 위상차가 전체적으로 일정하였다. 상관계수를 구하기 위해 그림 16과 같이 한 주기 동안의 파형을 비교하여 약 r=0.9449의 강한 양적 선형 관계를 확인하였고, 기존 광용적맥파를 통한 응용 연구에 자계용적맥파를
적용할 수 있는 가능성을 확인하였다.
2.10.2 심전도와 기준 커프 혈압을 추가로 측정하여 혈압추정 실험
실험결과를 표 3에 나타내었다. 각각의 추정 혈압들은 혈압과 맥파전달속도를 최소제곱법을 이용하여 얻어진 회귀 식을 사용해 구하였다.
표 3. 커프혈압과 맥파전달속도 비교 실험 결과
Table 3. Comparison experimental results of Cuff-Blood Pressure and Pulse Wave Velocity
|
sample
|
SBP
|
DBP
|
PWV_mid
|
PWV_peak
|
SBPM
|
DBPM
|
SBPP
|
DBPP
|
|
(mmHg)
|
(mmHg)
|
(m/s)
|
(m/s)
|
(mmHg)
|
(mmHg)
|
(mmHg)
|
(mmHg)
|
|
1
|
130
|
84
|
7.2197
|
7.7895
|
126.98
|
82.444
|
124.79
|
77.922
|
|
2
|
130
|
79
|
7.5717
|
7.8521
|
128.01
|
84.470
|
124.90
|
78.116
|
|
3
|
120
|
85
|
7.5533
|
8.0788
|
127.95
|
84.364
|
125.29
|
78.821
|
|
4
|
121
|
81
|
7.7465
|
8.2905
|
128.52
|
85.475
|
125.66
|
79.478
|
|
5
|
126
|
87
|
8.2134
|
11.070
|
129.90
|
88.162
|
130.47
|
88.117
|
|
6
|
131
|
86
|
7.8604
|
11.469
|
128.86
|
86.131
|
131.17
|
89.356
|
|
7
|
126
|
82
|
7.8426
|
10.536
|
128.80
|
86.028
|
129.55
|
86.456
|
|
8
|
123
|
85
|
8.1444
|
11.010
|
129.69
|
87.765
|
130.37
|
87.931
|
|
9
|
141
|
92
|
7.4775
|
10.337
|
127.73
|
83.928
|
129.20
|
85.838
|
|
10
|
125
|
79
|
6.9986
|
9.8899
|
126.32
|
81.172
|
128.43
|
84.448
|
|
11
|
141
|
86
|
7.5072
|
9.6412
|
127.82
|
84.099
|
128.00
|
83.675
|
|
12
|
133
|
95
|
7.1351
|
9.1664
|
126.72
|
81.958
|
127.17
|
82.200
|
|
13
|
121
|
80
|
7.2782
|
10.066
|
127.14
|
82.781
|
128.73
|
84.996
|
|
14
|
138
|
83
|
7.2537
|
9.2057
|
127.07
|
82.640
|
127.24
|
82.322
|
|
15
|
123
|
76
|
7.1009
|
9.4345
|
126.62
|
81.760
|
127.64
|
83.033
|
|
16
|
121
|
76
|
5.4740
|
5.9495
|
121.83
|
72.400
|
121.60
|
72.205
|
|
17
|
117
|
63
|
5.4837
|
5.8413
|
121.86
|
72.456
|
121.41
|
71.869
|
|
18
|
115
|
66
|
5.4740
|
6.3045
|
121.83
|
72.400
|
122.22
|
73.308
|
|
19
|
121
|
71
|
5.4926
|
6.1958
|
121.88
|
72.507
|
122.03
|
72.970
|
|
20
|
121
|
71
|
5.2057
|
5.4597
|
121.04
|
70.856
|
120.75
|
70.683
|
|
21
|
116
|
78
|
4.9420
|
5.0277
|
120.26
|
69.339
|
120.01
|
69.341
|
|
22
|
118
|
78
|
5.0239
|
5.0691
|
120.50
|
69.810
|
120.08
|
69.469
|
|
23
|
118
|
76
|
4.9011
|
5.0361
|
120.14
|
69.103
|
120.02
|
69.367
|
|
24
|
116
|
78
|
4.9216
|
5.1520
|
120.20
|
69.221
|
120.22
|
69.727
|
|
25
|
110
|
76
|
5.0443
|
5.2017
|
120.56
|
69.927
|
120.31
|
69.881
|
|
26
|
120
|
58
|
4.6433
|
4.6689
|
119.38
|
67.620
|
119.38
|
68.226
|
|
27
|
123
|
62
|
4.7147
|
4.7674
|
119.59
|
68.031
|
119.55
|
68.532
|
|
28
|
128
|
64
|
4.8460
|
4.8339
|
119.98
|
68.786
|
119.67
|
68.739
|
|
29
|
122
|
64
|
4.8897
|
4.8060
|
120.11
|
69.038
|
119.62
|
68.652
|
|
30
|
126
|
68
|
4.8131
|
4.7474
|
119.88
|
68.597
|
119.52
|
68.470
|
|
31
|
120
|
65
|
4.2720
|
4.7391
|
118.29
|
65.484
|
119.50
|
68.444
|
|
32
|
120
|
62
|
4.0895
|
4.7819
|
117.75
|
64.433
|
119.58
|
68.577
|
|
33
|
121
|
64
|
4.6559
|
4.9977
|
119.42
|
67.692
|
119.95
|
69.248
|
|
34
|
118
|
55
|
4.4888
|
4.7819
|
118.93
|
66.731
|
119.58
|
68.577
|
|
35
|
122
|
63
|
4.5155
|
4.8432
|
119.00
|
66.884
|
119.68
|
68.767
|
|
36
|
126
|
82
|
5.1423
|
5.3960
|
120.85
|
70.491
|
120.64
|
70.485
|
|
37
|
118
|
74
|
5.1940
|
5.2757
|
121.00
|
70.789
|
120.43
|
70.111
|
|
38
|
117
|
78
|
5.1776
|
5.2691
|
120.95
|
70.694
|
120.42
|
70.091
|
|
39
|
123
|
72
|
5.3162
|
5.3764
|
121.36
|
71.492
|
120.61
|
70.424
|
|
40
|
120
|
75
|
5.2351
|
5.2759
|
121.12
|
71.025
|
120.43
|
70.112
|
|
Mean
|
123.15
|
74.975
|
5.9215
|
6.8409
|
123.15
|
74.975
|
123.15
|
74.975
|
|
SD
|
6.7427
|
9.6090
|
1.3133
|
2.3010
|
3.8684
|
7.5563
|
3.9868
|
7.1495
|
SBP(수축기 혈압), DBP(이완기 혈압), PWV_mid(맥파전달속도_중간점), PWV_peak (맥파전달속도_최대점),
SBPM(PWV_mid를 사용해 추정한 수축기혈압), 회귀식 : y=2.95*x+105.7
DBPM(PWV_mid를 사용해 추정한 이완기혈압), 회귀식 : y=5.75*x+40.90
SBPP(PWV_peak를 사용해 추정한 수축기혈압), 회귀식 : y=1.73*x+111.3
DBPP(PWV_peak를 사용해 추정한 이완기혈압), 회귀식 : y=3.11*x+53.72
블랜드-알트만 플롯의 가운데의 점선은 측정혈압과 추정혈압의 차이의 평균(MD; Mean Difference)을 나타내며 위아래의 두 점선은 차이의평균±2*표준편차(SD;
Standard Deviation)를 나타낸 것이다.
그림. 17. 수축기 혈압과 맥파전달속도(mid) 상관관계 비교 (a) 피어슨 상관분석 (b) 블랜드-알트만 플롯
Fig. 17. Correlation analysis of Systolic BP and PWV(mid) (a) Pearson correlation
analysis (b) Bland-Altman plot
그림. 18. 수축기 혈압과 맥파전달속도(mid) 상관관계 비교 (a) 피어슨 상관분석 (b) 블랜드-알트만 플롯
Fig. 18. Correlation analysis of Diastolic BP and PWV(mid) (a) Pearson correlation
analysis (b) Bland-Altman plot
그림. 19. 수축기 혈압과 맥파전달속도(peak) 상관관계 비교 (a) 피어슨 상관분석 (b) 블랜드-알트만 플롯
Fig. 19. Correlation analysis of Systolic BP and PWV(peak) (a) Pearson correlation
analysis (b) Bland-Altman plot
그림. 20. 이완기 혈압과 맥파전달속도(peak) 상관관계 비교 (a) 피어슨 상관분석 (b) 블랜드-알트만 플롯
Fig. 20. Correlation analysis of Diastolic BP and PWV (peak) (a) Pearson correlation
analysis (b) Bland-Altman plot
[그림 17] 수축기 혈압과 맥파전달속도(mid)와의 상관관계를 분석한 결과 피어슨 상관계수 r=0.5737의 양적 선형관계를 확인할 수 있었다. 블랜드-알트만
플롯을 보아 추정값에 고정된 편향치는 존재하지 않으며 대부분의 결과에서 추정혈압과 실제혈압의 차이가 MD±2*SD내에 존재하고 있다.
[그림 18] 이완기 혈압과 맥파전달속도(mid)와의 상관관계를 분석한 결과 피어슨 상관계수 r=0.7863의 양적 선형관계를 확인할 수 있었다. 블랜드-알트만
플롯을 보아 추정값에 고정된 편향치는 존재하지 않으며 대부분의 결과에서 추정혈압과 실제혈압의 차이가 MD±2*SD내에 존재하고 있다.
[그림 19] 수축기 혈압과 맥파전달속도(peak)와의 상관관계를 분석한 결과 피어슨 상관계수 r=0.5669의 양적 선형관계를 확인할 수 있었다. 블랜드-알트만
플롯을 보아 추정값에 고정된 편향치는 존재하지 않으며 대부분의 결과에서 추정혈압과 실제혈압의 차이가 MD±2*SD내에 존재하고 있다.
[그림 20] 이완기 혈압과 맥파전달속도(peak)와의 상관관계를 분석한 결과 피어슨 상관계수 r=0.7445의 양적 선형관계를 확인할 수 있었다.블랜드-알트만
플롯을 보아 추정값에 고정된 편향치는 존재하지 않으며 대부분의 결과에서 추정혈압과 실제혈압의 차이가 MD±2*SD내에 존재하고 있다.
실험결과 맥파전달속도와 혈압과의 상관관계는 이완기 혈압이 수축기 혈압보다 높게 나타났다. 또 맥파전달시간을 측정한 지점은 peak점과 mid점이 거의
비슷했다.
3. 결 론
본 논문에서는 자계를 이용하여 측정한 혈류의 속도변화와 심전도, 두 신호사이의 관계를 이용해 혈압을 추정하는 알고리즘을 제안하기 위하여 각 실험을
수행하였다. 첫 번째로 자계용적맥파와 광용적맥파를 동시에 측정하고 두 신호간의 상관관계를 분석하였다. 자계용적맥파신호와 광용적맥파 신호는 피어슨 상관계수
r=0.9449로 나타났다. 두 번째로 자계용적맥파와 심전도를 동시에 측정하여 얻은 맥파전달시간(mid)와 맥파전달시간(peak)를 이용하여 맥파전달시간을
측정하고 이를 바탕으로 맥파전달 속도를 계산하여 혈압과의 상관관계를 분석하였다. 수축기 혈압과 맥파전달속도(mid)와의 피어슨 상관계수는 r=0.5737,
이완기 혈압과 맥파전달속도(mid)와의 피어슨 상관계수는 r=0.7863, 수축기 혈압과 맥파전달속도(peak)와의 피어슨 상관계수는 r=0.5669,
이완기 혈압과 맥파전달속도(peak)와의 피어슨 상관계수는 r=0.7445로 나타났다.
위 실험 결과 광용적맥파와 자계용적맥파는 강한 양적선형관계가 있음이 확인됐고, 혈압과 자계용적맥파를 사용하여 측정한 맥파전달속도와의 상관관계도 높은
상관성을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 자계용적맥파를 사용할 수 있을 것으로 예상된다. 그러나 나이,성별등에 의해 발생하는 변수를 최소화
하기 위해 작은 실험군을 대상으로 실험을 진행하였고, 맥파와 직접적인 연관이 있는 수축기 혈압이 아닌 이완기 혈압에 대한 상관관계가 더 높게 나온
점 등은 큰 실험군을 대상으로 한 추가적인 실험과 의료 임상전문가와 함께하는 실험 등을 통해 연구해야 할 문제로 남아 있다.
감사의 글
본 논문은 2017년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No.2016R1A2B4016231)
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Date 2018.05.02.)
2018, Electrocardiography, wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Electrocardiography
(Access Date 2018.05.02.)
저자소개
2017년 건국대학교 의학공학부 졸업
2017년~현재 동대학원 의학공학과 석사과정
2018년 건국대학교 의학공학부 졸업
2018년~현재 동대학원 의학공학과 석사과정
2013년~현재 건국대학교 의학공학부 재학
2013년~현재 건국대학교 의학공학부 재학
2007년 건국대학교 의학공학부 졸업
2009년 동대학원 석사
2010년~14년 JW중외메디칼연구소(선임)
2014년~현재 건국대학교 의학공학과 박사과정
1979년 연세대학교 전기공학과 졸업
동대학원 석사(1981)
The University of Alabama in Huntsville, Ph.D.(1994)
2001년~현재 건국대학교 의학공학부 교수
1992년 연세대학교 전기공학과 졸업
1994년 동대학원 석사, 박사(‘00년)
2000년~‘04년 삼성전자종합기술원(책임)
2004년~현재 건국대학교 의학공학부 교수